大斷面地鐵車站隧道軟弱圍巖漸進破壞規律模型試驗研究

孔 超，侯志強, 朱曉雨，姚 勇，王海彥，張俊儒

(1.西南科技大學 土木工程與建筑學院，四川 綿陽 621010；2.工程材料與結構沖擊振動四川省重點實驗室，四川 綿陽 621010；3.中國中鐵四局集團第五工程有限公司，江西 九江 332000； 4.南京工業大學 交通運輸工程學院，江蘇 南京 210009；5.西南交通大學 交通隧道工程教育部重點試驗室，四川 成都 610031；6.西南交通大學 土木工程學院，四川 成都 610031)

隨著城市軌道交通系統的快速發展，為了滿足車站功能，暗挖地鐵車站多設置為大跨拱形斷面。但是，由于城市地質環境復雜，周邊既有建(構)筑物眾多，施工工藝復雜等因素，若施工不當，極易出現因隧道結構及圍巖失穩而造成的隧道塌方事故[1-4]，不僅造成人員和財物的極大損失，還會產生嚴重的社會不良影響。

通過對大跨隧道塌方機理的研究[5-7]，已經明確隧道塌方是一個漸進性破壞過程，即由于隧道開挖卸載導致應力重分布，使應力集中區域圍巖破壞，隨著隧道分部開挖，圍巖產生漸進破壞，最終由于支護的漸進破壞而產生塌方。隧道塌方是圍巖漸進破壞以及支護漸進破壞相互耦合作用的結果，但在實際施工中所能觀察到的現象只有支護的漸進破壞過程，即支護變形—開裂—失穩塌方(支護及圍巖)。目前，隧道圍巖漸進破壞研究主要通過模型試驗以及數值計算。模型試驗為實現隧道漸進破壞一般采用2種方法：一種是采用參數較弱的相似材料，不設置支護[8]，但該方法圍巖漸進破壞過程極快，圍巖破壞發展過程不易觀察且無法模擬圍巖與支護的相互作用；另一種是設置支護后，通過加載模擬隧道漸進破壞[9-13]，該方法雖然能夠模擬支護與圍巖相互作用的漸進破壞過程，但由于圍巖破壞是通過外部荷載加載實現的，圍巖及支護始終處于超載狀態，圍巖受力及破壞狀態無法與實際完全吻合，且無法模擬隧道施工過程中的漸進破壞。

本文以貴陽市軌道交通2號線陽明祠車站為工程案例，通過室內試驗模擬大跨車站施工過程，在施工過程中僅通過圍巖自重，實現圍巖漸進破壞以及支護漸進破壞的模擬；通過施工漸進破壞過程，明確施工期間大跨隧道塌方破壞過程機制，為隧道塌方的預防與治理提供理論基礎；研究圍巖與支護漸進破壞過程的相互作用規律，探討圍巖塌落荷載與施工過程的相關性，為支護荷載設計提供基礎。

1 工程背景

陽明祠站位于寶山北路與東山路的十字交叉路口北側道路下方，沿寶山北路呈南北向布置。車站周邊環境復雜，車站正上方寶山北路為貴陽市市中心主干道，雙向6車道，車流量大且擁堵。車站起止里程為YCK34+371.496—YCK34+637.700，長266.204 m，寬19.9 m，設計為暗挖2層島式車站，最大開挖寬度26.35 m，埋深18.7 m。開挖標準斷面如圖1所示。

圖1 地鐵車站標準斷面(單位：mm)

陽明祠站區間范圍內上覆地層為第四系人工填土、紅黏土，第四系覆蓋層厚度約2.2～13.0 m，下伏基巖為三疊系下統安順組白云巖，是典型的上層為軟土，下層為硬巖的地層。根據現場地質勘察報告，上層軟土和下層硬巖的力學參數見表1。

表1 地層物理力學參數

2 隧道施工漸進破壞的模擬試驗

2.1 相似比與模型材料

為了真實準確地反映隧道開挖過程中圍巖和支護的變形特征及影響，必須考慮試驗模型與原結構之間的相似關系，主要包括模型材料、模型形狀以及荷載等[14-15]。

根據模型箱尺寸大小，并考慮模型試驗成本與操作性，取幾何相似比Cl=50，推算出隧道模型寬度為470 mm，高度為350 mm。將幾何相似比作為基礎相似比，推導得出其它物理力學參數相似比分別為：材料泊松比、材料應變、材料摩擦角相似比Cз=Cφ=Cμ=1∶1，材料彈性模量、模型變形、材料黏聚力Cχ=Cе=Cс=50∶1。依據該相似比，經過大量的配比試驗，確定軟土層材料的質量配合比見表2，含水率為15%；硬巖土層骨料由鐵礦粉∶晶石粉∶英砂按照1.00∶0.67∶0.29的質量配比制成，松香酒精溶液摩爾濃度為7.5 mol·L-1，材料的質量配合比見表3，含石英砂數20～40目；最終選取模型圍巖的力學參數見表4。

表2 地鐵車站上層軟土模型材料的質量配合比 單位：%

表3 地鐵車站下層硬巖(中風化白云巖)模型材料的質量配合比

單位：%

表4 模型圍巖的力學參數

2.2 模型試驗裝置

模型箱以鋼架為基本組成單元，鋼架與鋼架的連接處由高強度螺栓固定而成，其封閉穩定的結構能夠很好地滿足本試驗所需要的圍巖邊界條件，確保與實際工況一致；整個模型箱的尺寸為3 000 mm×3 000 mm×1 000 mm，中間放置隧道處的尺寸為600 mm×600 mm；考慮隧道上方道路及車輛荷載，道路采用有機玻璃模擬，在路面放置一定數量的鐵塊模擬車輛荷載對隧道的影響；根據現場上下地層實際分布情況，以地鐵車站拱腳以上鋪設軟土相似材料，拱腳以下鋪設硬巖相似材料；模型箱前側為厚20 mm的有機玻璃構成，可以清晰觀測到圍巖的變化情況；整個模型試驗裝置如圖2所示。

2.3 測點布置及測試方法

試驗中主要對路面變形、隧道拱部變形進行監測，監測點分別見圖3(a)和(b)。路面變形采用可自動監測的位移計監測，隧道拱部變形，采用預埋的拱部位移計監測裝置進行監測，埋設位移測量裝置位置需高于隧道拱部10 mm左右，防止在開挖隧道模型時位移稈滑落，以記錄隧道拱頂、左拱腰和右拱腰3個關鍵結構點的變形情況。為了保證監測數據的可靠性，縱向設置2個監測斷面，監測斷面布置見圖3(c)。

圖2 模型試驗裝置

圖3 測試斷面及測點布置 (單位：mm)

2.4 試驗過程

為了真實模擬隧道開挖的過程，嚴格按照現場施工方法設計試驗開挖方案。具體開挖方案為：左右導洞上側開挖100 mm，及時設置初支和臨時支撐；待初支成型后左右導洞下側開挖各100 mm，設置初支和臨時支撐；穩定后開挖中導洞上部100 mm，并設置初支和臨時支撐；導洞開挖100 mm，對拱頂進行初支；開挖中導洞下部100 mm，預留核心土，第1個斷面開挖結束；以此循環開挖，待所有支護結構穩定后逐段拆除臨時橫撐。上拱部具體開挖方式如圖4所示。

3 試驗結果與分析

3.1 圍巖及初支的漸進破壞過程

隧道模型開挖至第2個斷面中導洞左右兩側時，在隧道拱頂上方和右拱腰圍巖出現了較大的裂縫，如圖5所示。對比開挖前后可以發現，在開挖前，右拱腰上方軟土圍巖完整，無明顯裂縫，初期支護與前板玻璃連接完好；開挖后，隧道右拱腰上側出現1條較大的裂縫(紅線標注)，裂縫起于鄰近拱頂側，終于右側拱腰處，并且右側拱腰處臨時橫撐與前板玻璃之間出現裂縫，此處的初期支護有明顯下沉的現象，上方軟土圍巖開始出現不穩定現象；繼續開挖隧道，圍巖裂縫逐步發展。裂縫發展的趨勢如圖6所示。

圖4 隧道開挖過程圖

圖5 圍巖裂隙初始發展

圖6 圍巖漸進破壞過程

當開挖至300 mm斷面時，支護拱頂出現1條細小的裂縫；隨著隧道開挖，支護拱頂和右拱腰裂縫寬度不斷增加，2處裂縫逐漸連接。觀察初支與前板玻璃連接狀態可以發現，圍巖裂縫增大，支護下沉量也越明顯增加。左拱腰至右拱腰處都發生了分離現象，產生了較大的沉降，狀態極不穩定。靜置約20 min后，隧道拱頂至右拱腰支護脫落，并牽連壓壞左側拱腰，整個隧道發生崩塌。隧道崩塌時的狀態如圖7所示。

圖7 隧道塌方形態

隧道崩塌后，在隧道拱頂附近形成1個不穩定塌落拱，塌落拱的整體形狀與圖7(c)裂隙發展的形態基本一致，塌落范圍如圖8所示，塌落拱隨著放置時間不斷向下塌方，但隧道的塌方并未導致隧道正上方路面塌陷，路面僅發生少量變形。

3.2 初期支護及路面沉降演變

初期支護拱頂、左右拱腰及路面隨圍巖漸進破壞過程變形變化曲線分別如圖9及圖10所示。

由圖9以及對比圍巖漸進破壞過程可知：圍巖漸進破壞與支護漸進破壞過程相輔相成，相互影響；當隧道右拱腰及拱部出現少量裂隙時，支護受力增加，致使變形開始增大，在圍巖拱部裂隙逐漸發展過程中，支護變形出現快速增加現象；但當圍巖拱部裂隙貫通后(此時圍巖塌落拱已基本成型)，支護并未立即破壞，變形增幅變緩且支護裂縫開始發展，最后支護破壞與圍巖塌方。

圖8 塌落拱形態示意圖(單位：mm)

圖9 支護變形隨圍巖漸進破壞過程變化曲線

圖10 路面變形隨圍巖漸進破壞過程變化曲線(同樣)

由圖10可知：由于圍巖為塌落拱式破壞且路面結構的支撐作用，路面位移并未出現較大位移，且路面的位移變化過程與圍巖漸進破壞過程也有相似的對應關系。這也與現場施工情況相對應，現場施工過程中導洞曾發生過塌方，但并未影響至路面運營。

3.3 支護裂隙發展規律

隨著隧道開挖，支護內部裂隙發展情況如圖11所示。由支護裂隙發展過程可知：支護破壞也是漸進破壞過程，其與圍巖漸進破壞過程相對應，隨著圍巖漸進破壞，支護所承受圍巖荷載逐漸增加，支護裂隙從單一裂隙逐漸發展至貫通，最終導致支護破壞，圍巖塌方。

圖11 支護裂隙隨圍巖漸進破壞發展過程

3.4 圍巖及支護相互作用機理

支護漸進破壞過程為：變形緩慢增加—變形快速增加—變形緩慢增加但裂隙快速發展—支護破壞，這一過程在隧道施工以及其他試驗中也得到了證明[5-6，12-15]。而在支護變形破壞過程中對應的圍巖漸進破壞過程為：裂隙出現—裂隙發展—裂隙貫通—圍巖塌方。兩者共同發展相互作用：圍巖裂隙出現使支護荷載增加，支護變形增大，進一步使圍巖裂隙發展貫通，支護荷載再次增加，支護屈服，裂隙發展進而整體塌方。

施工塌方主要由于圍巖軟弱及支護設置不當造成的。在實際施工過程中，當發現支護變形大幅增加時，不僅要注意增加支護強度還應通過及時注漿、打設長錨桿等措施減緩圍巖裂隙發展，阻斷圍巖漸進破壞過程。

4 結 論

(1)本試驗方法能夠有效模擬圍巖及支護在隧道施工過程中的漸進破壞過程，與實際較為吻合，且彌補了傳統圍巖漸進破壞試驗的不足之處。

(2)圍巖變形破壞由右側拱腰破壞帶動拱頂破壞，并傳遞到左側拱腰，直至隧道崩塌形成與裂縫形狀一致的塌落拱。圍巖漸進破壞過程為：裂隙出現—裂隙發展—裂隙貫通—圍巖塌方。

(3)隧道支護主要承受來自上方圍巖破壞的松動壓力，支護漸進破壞過程為：變形緩慢增加—變形快速增加—變形緩慢增加但裂隙快速發展—支護破壞，與實際破壞基本吻合。

(4)實際施工過程中，圍巖漸進破壞與支護受力狀態是相互影響作用的：圍巖裂隙出現使支護荷載增加，支護變形增大，進一步使圍巖裂隙發展貫通，支護荷載再次增加，支護屈服，裂隙發展進而整體塌方。

(5)施工塌方主要由于圍巖軟弱及支護設置不當造成的。在實際施工過程中，當發現支護變形大幅增加時，不僅要注意增加支護剛度，還應通過及時注漿、打設長錨桿等措施減緩圍巖裂隙發展，阻斷圍巖漸進破壞過程。